Hybride enzymkatalysatorer syntetiseret ved en de novo tilgang til udvidelse af biokatalyse

De to store udfordringer i industriel enzymatisk katalyse er det begrænsede antal kemiske reaktionstyper, der katalyseres af enzymer og ustabilitet af enzymer under hårde betingelser i industriel katalyse. Både ekspanderende enzymkatalyse til et større substratomfang og større udvalg af kemiske reaktioner og afstemning af mikromiljøet omkring enzymmolekyler for at opnå høj enzymydelse er presserende.

For nylig, et forskerhold ledet af prof. Jun Ge fra Tsinghua University, Kina gennemgik deres indsats ved hjælp af de novo-tilgangen til at syntetisere hybridenzymkatalysatorer, der kan løse disse to udfordringer, og struktur-funktion-forholdet diskuteres for at afsløre principperne for design af hybridenzymkatalysatorer. Resultaterne blev offentliggjort i Chinese Journal of Catalysis .

I 2012, de rapporterede først en coprecipitation-metode til fremstilling af enzym-uorganiske krystal-kompositter. Kopudfældningsmetoden bruges generelt til fremstilling af hybridenzymkatalysatorer med forskellige uorganiske krystaller, herunder MOF'er. I 2014, de foreslog først en coprecipitation-strategi til direkte syntetisering af proteinindlejrede MOF'er. Samudfældningsstrategien til syntetisering af enzym-MOF-kompositter er meget udbredt i forskellige typer MOF'er, enzymer, proteiner, DNA, siRNA, antistoffer, og endda celler. Mekanismerne til forbedring af aktivitet og stabilitet af enzymer i det begrænsede miljø af MOF'er blev diskuteret. Ud over dette, de konstruerede multienzym-MOF-kompositter for at forstærke kaskadereaktionen i et lukket stillads og udviklede en grovkornet, partikelbaseret model for at forstå oprindelsen til aktivitetsforbedringen.

Den tilsyneladende aktivitet af enzymer i MOF'er med en begrænset porestørrelse kompromitteres normalt, når enzymsubstratet har en relativt høj molekylvægt. Ved at indføre defekter i MOF -matricen for at generere større porer, diffusionsrestriktioner kan lindres. Derfor, de udviklede metoder til at indføre defekter i MOF'er under coprecipitation. Indstilling af koncentrationen af ​​forstadier til MOF'er, defekterede og endda amorfe MOF'er kan syntetiseres. Disse defekter skabte mesoporer i kompositterne, lettede substraternes adgang til de indkapslede enzymer og forbedrede den tilsyneladende enzymaktivitet. Mekanismen for fejldannelse blev grundigt undersøgt og forstået.

I øvrigt, i stedet for enzymindkapsling, små uorganiske krystaller kan vokse in situ i et begrænset miljø på overfladen af ​​et enzym for at kombinere enzymatisk katalyse og kemokatalyse. De demonstrerede, hvordan man konstruerer en enzym-metal-hybridkatalysator til effektivt at kombinere enzymkatalyse og metalklyngekatalyse. Enkeltlipase-polymerkonjugater som begrænsede nanoreaktorer blev anvendt til in situ-generation af Pd-nanopartikler/klynger for at opnå kemoenzymatisk dynamisk kinetisk opløsning (DKR) af aminer. Den tydelige størrelsesafhængige aktivitet af Pd-nanopartikler blev observeret. Eksperimenter og simuleringer antydede, at konstruktionen af ​​oxidationstilstanden for Pd spiller en vigtig rolle i aktiviteten af ​​Pd i hybridkatalysatoren. Denne strategi til konstruktion af enzym-metal-hybridkatalysatorer med fremragende kompatibilitet mellem enzymatiske og metalkatalytiske aktiviteter fører til mange potentielle anvendelser i den kemiske industri.